在物理學(xué)的海洋中，有一座奇異的島嶼，名為“單線(xiàn)態(tài)島”。這座島嶼的溫度由北向南越來(lái)越暖。在最北部的極寒地區，溫度低于-271.5 攝氏度(或者說(shuō) 1.6 開(kāi)爾文)，那里居住著(zhù)一些具有神奇能力的居民——“超導人”，他們非常畏懼高溫，一旦溫度過(guò)高，超能力便會(huì )失效。偶爾，你能在高于 30 開(kāi)爾文的中部島嶼上發(fā)現他們的蹤跡，但南部對他們來(lái)說(shuō)似乎實(shí)在太熱了。

　　除了溫度之外，這座島嶼上的山峰也會(huì )對超導人造成影響，山峰的磁場(chǎng)會(huì )干擾超導人的超導能力。外部的探險家非常想要借用超導人的這種神奇力量。這種力量非常強大，探險家若想要建造出一種名為量子計算機的強大機器，就必須要有超導人的幫忙。因此他們從未停止在全島搜索超導人的下落，包括島嶼南部。

　　探險者在單線(xiàn)態(tài)島上發(fā)現了很多超導人，后來(lái)他們聽(tīng)島上的超導人說(shuō)，在很久很久以前，有一部分超導人漂洋過(guò)海去到了位于單線(xiàn)態(tài)島東部的島嶼，并告訴他們，在那座島嶼上，或許也居住著(zhù)他們的同伴。

　　探險家立即出發(fā)前往那座島嶼，果不其然，在那座名為“三重態(tài)島”的島嶼上，他們遇到了一些非常罕見(jiàn)的超導人。而更重要的是，他們在三重態(tài)島的北部地區意外地發(fā)現了有一種名為碲化鈾(UTe?)的超導人，這種超導人似乎絲毫不受高聳山峰對它們施加的磁場(chǎng)的影響。無(wú)論周?chē)h(huán)境如何干擾，它們仍能維持其超導能力，這不禁讓探險家喜出望外：這不正是制造量子比特的絕佳人才嗎!

　　1.

　　其實(shí)，上面這則小故事中的 UTe?是一種超導材料。在最近的《科學(xué)》雜志上，來(lái)自美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家詳細描述了這種材料擁有的一些非比尋常的特性，無(wú)論從技術(shù)應用還是基礎科學(xué)的角度，這些罕見(jiàn)的性質(zhì)都非常有趣。

　　一直以來(lái)，科學(xué)家都非常希望能夠找到適合建造量子計算機的材料。在研發(fā)過(guò)程中所遇到的眾多難題中，其中一個(gè)就是他們需要讓量子計算機的內存存儲開(kāi)關(guān)(即量子比特)可以運行足夠長(cháng)的時(shí)間，這樣才能在失去允許它們作為一個(gè)整體運行的微妙物理關(guān)系之前，完成一次計算。而這種微妙的物理關(guān)系就是量子相干，在周?chē)h(huán)境的干擾下，量子相干非常難以維持，這是一件很難做到的事。

　　但這次的意外發(fā)現讓科學(xué)家意識到，似乎可以利用具有超強的抗磁能力的 UTe?來(lái)幫助解決這個(gè)難題。在超導材料中，具有如此強大的抗磁場(chǎng)能力是非常罕見(jiàn)的，這為設計量子比特提供了獨特的優(yōu)勢。其主要原因是，它對那些容易進(jìn)入量子計算的誤差具有很強的抵抗能力。UTe?可以為一個(gè)的量子計算機創(chuàng )造出高效的量子比特，這對新生的量子計算機產(chǎn)業(yè)格外具有吸引力。甚至有科學(xué)家稱(chēng)，UTe?這種材料或許將成為量子信息時(shí)代的硅。

　　2.

　　首先，UTe?具有非常特別的導電方式。在 UTe?這種超導材料中，它的電子“配對”方式是與其他超導材料不同。何為“配對”?我們知道，在銅線(xiàn)或一些其他的普通導體中，電子是以單個(gè)粒子的形式運動(dòng)的;但在所有的超導體中，它們都會(huì )成對，形成所謂的“庫珀對”。這些材料之所以具有超導性，就是因為具有能讓電子配對的電磁相互作用。

　　對庫柏對來(lái)說(shuō)，尤為重要的是電子的量子“自旋”，這是所有電子都具有的性質(zhì)，有了自旋，每個(gè)電子的行為都像是它們被一個(gè)小型的條形磁鐵穿過(guò)了一樣。在大多數超導材料中，成對電子的量子自旋一個(gè)指向上方，一個(gè)伴指向下方。這種相反的配對被稱(chēng)為自旋單線(xiàn)態(tài)。

　　在已知的超導體中，還有一小部分“不守規矩”的材料，它們的庫珀對的自旋可以有三種組合方式，使它們成為了所謂的自旋三重態(tài)，它們的自旋可以朝著(zhù)同一方向。UTe?就是其中之一。

　　大多數自旋三重態(tài)的超導體也被預測為是“拓撲”超導體，它們具有一種具有非常有用的特性，那就是超導性可以在材料的表面發(fā)生，而且即使遭受到了外部干擾，也能維持超導性。也就是說(shuō)，這種擁有平行自旋的庫珀對或許能完美地讓量子計算機維持其功能，它們不會(huì )因為量子漲落而崩潰。

　　到目前為止，所有的量子計算機都需要一種能用來(lái)糾正那些能從它們周?chē)那臐撊氲腻e誤的方法。在這個(gè)問(wèn)題上，超導材料一直被認為具有普遍的優(yōu)勢，而拓撲超導體特性還具有無(wú)需量子誤差校正的額外優(yōu)勢。一個(gè)拓撲超導體可以提供一個(gè)沒(méi)有錯誤的量子比特，而且它們還可能擁有很長(cháng)的壽命。拓撲超導是實(shí)現量子計算的另一種途徑，它們可以保護量子比特免受環(huán)境影響。

　　3.

　　發(fā)現 UTe?實(shí)屬偶然，這是研究人員在探索鈾基磁鐵時(shí)的一個(gè)意外驚喜。其實(shí)早在 20 世紀 70 年代，UTe?就已被創(chuàng )造出來(lái)了。即使到最近，科學(xué)界也普遍認為它不具有任何特別引人注目的性質(zhì)。而這次，研究人員是在合成相關(guān)材料的過(guò)程中，碰巧制造出了一些 UTe?，于是他們在較低的溫度下對其進(jìn)行了測試，看看是否遺漏了什么現象。結果，他們很快意識到，在他們手上攥著(zhù)的，或許是對量子計算機非常特別的寶藏。

　　接著(zhù)，他們開(kāi)始用專(zhuān)業(yè)的工具來(lái)探索 UTe?，發(fā)現當 UTe?處于低溫時(shí)會(huì )變成超導，其超導特性與那些稀有的超導體類(lèi)似。不過(guò)那些超導體同時(shí)也是鐵磁性的，就像低溫永磁體一樣。而奇怪的是，UTe?本身并非鐵磁性的。因此從這個(gè)層面上看，可以說(shuō) UTe?從根本上就是一種全新的超導材料。

　　除此之外，它對磁場(chǎng)有很強的抵抗力。一般情況下，超導性都會(huì )遭到磁場(chǎng)的破壞，但對 UTe?來(lái)說(shuō)，根據磁場(chǎng)的不同作用方向，UTe?可以承受高達 35 特斯拉的磁場(chǎng)。這是一個(gè)普通的冰箱磁鐵強度的 3500 倍，是大多數低溫拓撲超導體所能承受的強度的許多倍。

　　4.

　　不過(guò)目前，研究人員還沒(méi)有最終確認 UTe?就是拓撲超導體，但根據它所表現出的對強磁場(chǎng)不同尋常的抵抗力，它是拓撲超導體的可能性很大。通過(guò)進(jìn)一步的探索，或許研究人員將可以更好地理解 UTe?的性質(zhì)，甚至更好地理解超導本身，從而更好地了解應該去哪里尋找尚未發(fā)現的超導材料——這是超導研究的一個(gè)主要目標。
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